DE102015224763A1

DE102015224763A1 - Schallwandleranordnung und Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung

Info

Publication number: DE102015224763A1
Application number: DE102015224763.5A
Authority: DE
Inventors: Bernd Scheufele; Andre Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2017-06-14
Also published as: EP3386649A1; CN108290183A; WO2017097478A1

Abstract

Schallwandleranordnung (100) umfassend einen Lochplattenträger (101), der horizontal beabstandet angeordnete erste Aussparungen (102) und horizontal beabstandet angeordnete zweite Aussparungen aufweist, wobei jeweils eine erste Aussparung (102) und eine zweite Aussparung (103) übereinander angrenzend angeordnet sind, wobei eine horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung (103) größer ist als eine horizontale Ausdehnung der ersten Aussparung (102), sodass sich innerhalb des Lochplattenträgers (101) Auflageflächen (104) bilden, mehrere Piezoelemente (105) und eine Abschlussschicht (108), dadurch gekennzeichnet, dass jede zweite Aussparung (103) ein Piezoelement (105) aufweist und die Piezoelemente (105) teilweise auf den Auflageflächen (104) angeordnet sind, wobei jedes Piezoelement (105) eine horizontale Ausdehnung aufweist, die größer ist als die horizontale Ausdehnung der ersten Aussparung (102) und kleiner ist als die horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung (103), sodass sich in horizontaler Richtung Hohlräume zwischen dem Lochplattenträger (101) und den Piezoelementen (105) bilden und die Abschlussschicht (108) auf dem Lochplattenträger (101) und den Piezoelementen (105) angeordnet ist, wobei die Abschlussschicht (108) eine erste strukturierte Metallschicht (109) aufweist, die oberhalb der Piezoelemente (105) angeordnet ist und als Membran fungiert.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schallwandleranordnung mit einem Lochplattenträger und mehreren Piezoelementen und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schallwandleranordnung.
Das Dokument DE 39 20 872 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschall-Schichtwandlern, bei denen die Piezokeramik und thermoplastisches Kunststoffmaterial des Schichtwandlers durch Heißverkleben miteinander verbunden werden. Zur Erzeugung der für das Verkleben notwendigen Wärme wird in der Piezokeramik Verlustwärme durch Anlegen elektrischer Signale produziert.
In der Schrift DE 10 2004 047 814 A1 wird ein fokussierendes mikrobearbeitetes Ultraschalltransducerarray beschrieben, das als fokussierende klinisch verwendbare Ultraschallsonde verwendet werden kann. Lateral nebeneinander ausgebildete Wandlerzellen werden bereichsweise elektrisch miteinander verdrahtet, um die angestrebte Fokussierung der Ultraschallwandlung zu erreichen.
Nachteilig ist hierbei, dass die einzelnen Ultraschallwandler äußeren Einflüssen, sowohl mechanischer als auch elektrischer Art, ausgesetzt sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die einzelnen Schichtwandler gegen äußere Einflüsse zu schützen.
Offenbarung der Erfindung
Die Schallwandleranordnung umfasst einen Lochplattenträger, der horizontal beabstandet angeordnete erste Aussparungen und horizontal beabstandet angeordnete zweite Aussparungen aufweist. Dabei sind jeweils eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung übereinander angrenzend angeordnet. Eine horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung ist größer als eine horizontale Ausdehnung der ersten Aussparung, sodass sich innerhalb des Lochplattenträgers Auflageflächen bilden. Des Weiteren umfasst die Schallwandleranordnung mehrere Piezoelemente und eine Abschlussschicht. Erfindungsgemäß weist jede zweite Aussparung ein Piezoelement auf, wobei die Piezoelemente teilweise auf den Auflageflächen angeordnet sind. Unter dem Begriff zweite Aussparung wird hier eine bestimmte Art der Aussparung verstanden und nicht eine Anzahl von Aussparungen. Jedes Piezoelement weist eine horizontale Ausdehnung auf, die größer ist als die horizontale Ausdehnung der ersten Aussparung und kleiner ist als die horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung, sodass sich Hohlräume in horizontaler Richtung zwischen dem Lochplattenträger und den Piezoelementen bilden. Die Abschlussschicht ist auf dem Lochplattenträger und den Piezoelementen angeordnet, wobei die Abschlussschicht eine erste strukturierte Metallschicht aufweist, die oberhalb der Piezoelemente angeordnet ist und als Membran fungiert.
Der Vorteil ist hierbei, dass die einzelnen Piezoelemente gegenüber äußeren Einflüssen geschützt sind, da sie von einer einzigen durchgehenden Abschlussschicht verdeckt bzw. bedeckt werden.
In einer Weiterbildung sind jeweils eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung fluchtend angeordnet. Unter dem Begriff fluchtend wird hierbei verstanden, dass die erste Aussparung und die zweite Aussparung eine gemeinsame Mittelachse aufweisen, um die sie sich symmetrisch anordnen.
In einer weiteren Ausgestaltung weist jedes Piezoelement eine erste Elektrode auf, wobei zwischen den Auflageflächen und den ersten Elektroden eine erste Verbindungsschicht angeordnet ist. Diese erste Verbindungsschicht ist elektrisch leitfähig. Sie umfasst insbesondere eine leitfähige erste Klebeschicht.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Piezoelemente auf einfache Weise elektrisch kontaktiert werden können.
In einer Weiterbildung weist jedes Piezoelement eine zweite Elektrode auf, wobei die zweite Elektrode der ersten Elektrode gegenüberliegt und wobei zwischen der ersten strukturierten Metallschicht und den zweiten Elektroden in horizontaler Richtung eine zweite Verbindungsschicht angeordnet ist. Auch diese Verbindungsschicht ist elektrisch leitfähig. Sie umfasst insbesondere eine leitfähige zweite Klebeschicht.
In einer weiteren Ausgestaltung ist auf dem Lochplattenträger eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet, wobei die elektrisch isolierende Schicht unmittelbar mit der Abschlussschicht verbunden ist.
Der Vorteil ist hierbei, dass ein Übersprechen der Einzelwandler gering ist.
In einer Weiterbildung weist die elektrisch isolierende Schicht eine größere Dicke auf als die zweite Verbindungsschicht.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Einzelwandler vollständig schwindungsmechanisch voneinander entkoppelt sind.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Abschlussschicht eine zweite durchgehende Metallschicht auf, wobei die zweite durchgehende Metallschicht der ersten strukturierten Metallschicht gegenüberliegt.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Piezoelemente sowohl eine durchgehende EMV-Abschirmung erfahren als auch gegen Feuchte, Flüssigkeiten und UV-Einflüsse geschützt sind, da die Abschlussschicht durch die durchgehende Metallschicht robust und überlackierbar ist.
In einer Weiterbildung sind die ersten Aussparungen mindestens teilweise mit einem Dämpfungsmaterial verfüllt. Das Dämpfungsmaterial weist insbesondere Silikon auf.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Schallwandleranordnung rückwärtig mechanisch stabilisiert wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Lochplattenträger elektrisch leitfähig. Er weist insbesondere ein Metall oder eine metallisierte Keramik auf.
Der Vorteil ist hierbei, dass auf einfache Weise eine elektrische Masse für die Schallwandleranordnung bereitgestellt wird, die mit der Verstärkerelektronik verbindbar ist.
In einer Weiterbildung sind innerhalb der Abschlussschicht Leiterbahnen angeordnet, die die zweiten Elektroden kontaktieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Schallwandleranordnung umfasst ein Verbinden mehrerer Piezoelemente mit einer Abschlussschicht, insbesondere mittels einer elektrisch leitfähigen ersten Verbindungsschicht, ein Verbinden eines Lochplattenträgers mit der Abschlussschicht und den Piezoelementen, wobei der Lochplattenträger horizontal beabstandet angeordnete erste Aussparungen und horizontal beabstandet angeordnete zweite Aussparungen aufweist, wobei jeweils eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung übereinander angrenzend angeordnet sind, wobei eine horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung größer ist als eine horizontale Ausdehnung der ersten Aussparung, sodass sich innerhalb des Lochplattenträgers Auflageflächen bilden, sodass der Lochplattenträger mittels einer elektrisch isolierenden Klebeschicht mit der Abschlussschicht verbunden ist und die Auflageflächen mit den Piezoelementen mittels einer elektrisch leitfähigen zweiten Verbindungsschicht verbunden sind und mindestens ein teilweises Verfüllen der ersten Aussparungen des Lochplattenträgers mit einem Dämpfungsmaterial.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schallwandleranordnung mit einem Lochplattenträger, mehreren Piezoelementen und einer Abschlussschicht und
2 ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schallwandleranordnung.
1 zeigt eine Schallwandleranordnung 100, die einen Lochplattenträger 101, mehrere Piezoelemente 105 und eine Abschlussschicht 108 aufweist. Der Lochplattenträger 101 weist erste Aussparungen 102 und zweite Aussparungen 103 auf, die übereinander angeordnet sind. Die horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung 102 ist größer als die horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung 103, sodass sich innerhalb des Lochplattenträgers Auflageflächen 104 bilden. Jede zweite Aussparung 103 nimmt dabei ein einziges Piezoelement 105 auf, sodass jedes Piezoelement 105 zumindest teilweise auf den Auflageflächen 104 angeordnet ist. Die Piezoelemente 105 weisen jeweils eine erste Elektrode 106 und eine zweite Elektrode 107 auf, wobei die erste Elektrode 106 der zweiten Elektrode 107 gegenüber liegt. Die zweiten Elektroden 107 sind am Rand mit dem Lochplattenträger 101 elektrisch leitfähig verbunden. Dabei ist auf den Auflageflächen 104 eine zweite Verbindungsschicht 112 angeordnet, die die zweiten Elektroden 107 kontaktiert. Die zweite Verbindungsschicht 112 ist insbesondere eine leitfähige Klebeschicht. Somit trägt der Lochplattenträger 101 die Piezoelemente 105 und bestimmt deren Schwingungsrandeinspannung, sodass die Piezoelemente 105 eine Biegeschwingung ausführen können. Die Abschlussschicht 108 ist auf dem Lochplattenträger 101 und den zweiten Elektroden 107 der Piezoelemente 105 angeordnet. Dabei weist der Lochplattenträger 101 mit der Abschlussschicht 108 eine elektrisch isolierende Klebeverbindung 115 auf. Mit anderen Worten der Lochplattenträger 101 ist horizontal zwischen den Piezoelementen 105 mit der Abschlussschicht 108 elektrisch nicht leitfähig verbunden. Die isolierende Klebeverbindung bzw. Klebeschicht 115 weist eine Dicke von 10–80 µm und umfasst beispielsweise silikonbasierten oder epoxidharzbasierten Kleber. Diese isolierende Klebeverbindung 115 fungiert gleichzeitig auch als Toleranzausgleich zwischen der Abschlussschicht 108 und den Piezoelementen 105, sodass die von den Piezoelementen 105 erzeugte Schwingung nicht gestört bzw. verändert wird. Die ersten Elektroden 106 sind mittels einer elektrisch leitfähigen ersten Verbindungsschicht 111, insbesondere einer Klebeschicht, mit der Abschlussschicht 108 verbunden. Die ersten Aussparungen 102 sind mindestens teilweise mit einem Dämpfungsmaterial 114 gefüllt. Das Dämpfungsmaterial 114 umfasst Silikon, z. B. Fermasil. Die Piezoelemente 105 weisen eine Dicke von 150–750 µm auf, vorzugsweise 200–500 µm. Die Abschlussschicht 108 umfasst beispielsweise eine Flexfolie, die ein Polymer aufweist. Mit anderen Worten, die Abschlussschicht 108 umfasst ein flexibles Material, sodass die Abschlussschicht 108 oberhalb der Piezoelemente 105 als Membran fungiert. Die Abschlussschicht 108 weist eine Dicke von 50–750 µm auf. Innerhalb der Abschlussschicht 108 sind Leiterbahnen 113 angeordnet, die die zweiten Elektroden 107 der Piezoelemente 105 elektrisch mit einer Verstärkerelektronik verbinden. Der Lochplattenträger 101 ist mechanisch steif und umfasst elektrisch leitfähiges Material, z. B. Aluminium oder eine metallisierte Keramik. Der Lochplattenträger 101 weist eine Dicke von 1–10 mm auf und ist mit der elektrischen Masse der Verstärkerelektronik elektrisch verbindbar bzw. verbunden. Der Lochplattenträger 101 sorgt zusätzlich für eine mechanische Entkopplung der Piezoelemente 105.
In einem Ausführungsbeispiel weisen die Mittelpunkte der jeweiligen Piezoelemente 105 einen lateralen Abstand auf, der geringer ist als die halbe Luftschallwellenlänge einer Betriebsfrequenz der Schallwandleranordnung. Die Betriebsfrequenz liegt hierbei im Bereich von 20 kHz–150 kHz, vorzugsweise bei 50 kHz. Die Schallwandleranordnung umfasst zwischen zwei und fünfzig Piezoelemente 105, vorzugsweise zwei bis zwölf. Die Piezoelemente 105 sind dabei in Form eines Arrays angeordnet. Das Array kann linienförmig, matrixartig, oval oder kreisrund ausgestaltet sein.
Die Schallwanlderanordnung ist in Kraftfahrzeugen, bewegten oder stehenden Maschinen, beispielsweise Roboter, fahrerlose Transportsysteme, Logistiksysteme in Lagern, Staubsaugern oder Rasenmähern, E-Bikes, elektrischen Rollstühlen oder in Hilfsmitteln zur Unterstützung körperlich eingeschränkter Personen einsetzbar.
2 zeigt ein Verfahren 200 zur Herstellung einer Schallwandleranordnung. Das Verfahren 200 startet mit dem Verbinden 210 mehrerer Piezoelemente und einer Abschlussschicht. Dazu wird eine elektrisch leitfähige erste Verbindungsschicht, insbesondere eine Klebeschicht, mittels Dispensen oder Siebdruck auf die Piezoelemente aufgebracht und anschließend mit der ersten Verbindungsschicht auf die Abschlussschicht aufgebracht. In einem folgenden Schritt 220 wird ein Lochplattenträger mit der Abschlussschicht mechanisch verbunden. Zusätzlich bzw. zeitgleich wird der Lochplattenträger mit den Piezoelementen elektrisch verbunden. Zur Verbindung der Abschlussschicht wird bereichsweise eine elektrisch isolierende Klebeschicht auf den Lochplattenträger aufgebracht und zur Verbindung der Piezoelemente wird eine elektrisch leitfähige zweite Verbindungsschicht, ebenfalls vorzugsweise eine Klebeschicht, auf die Auflageflächen aufgebracht. In einem folgenden Schritt 230 werden erste Aussparungen des Lochplattenträgers mindestens teilweise mit einem Dämpfungsmaterial verfüllt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3920872 A1 [0002]
DE 102004047814 A1 [0003]

Claims

Schallwandleranordnung (100) umfassend • einen Lochplattenträger (101), der horizontal beabstandet angeordnete erste Aussparungen (102) und horizontal beabstandet angeordnete zweite Aussparungen aufweist, wobei jeweils eine erste Aussparung (102) und eine zweite Aussparung (103) übereinander angrenzend angeordnet sind, wobei eine horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung (103) größer ist als eine horizontale Ausdehnung der ersten Aussparung (102), sodass sich innerhalb des Lochplattenträgers (101) Auflageflächen (104) bilden, • mehrere Piezoelemente (105) und • eine Abschlussschicht (108), dadurch gekennzeichnet, dass • jede zweite Aussparung (103) ein Piezoelement (105) aufweist und die Piezoelemente (105) teilweise auf den Auflageflächen (104) angeordnet sind, wobei jedes Piezoelement (105) eine horizontale Ausdehnung aufweist, die größer ist als die horizontale Ausdehnung der ersten Aussparung (102) und kleiner ist als die horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung (103), sodass sich in horizontaler Richtung Hohlräume zwischen dem Lochplattenträger (101) und den Piezoelementen (105) bilden und • die Abschlussschicht (108) auf dem Lochplattenträger (101) und den Piezoelementen (105) angeordnet ist, wobei die Abschlussschicht (108) eine erste strukturierte Metallschicht (109) aufweist, die oberhalb der Piezoelemente (105) angeordnet ist und als Membran fungiert.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine erste Aussparung (102) und eine zweite Aussparung (103) fluchtend angeordnet sind.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Piezoelement (105) eine erste Elektrode (106) aufweist und zwischen den Auflageflächen (104) und den ersten Elektroden (106) eine erste Verbindungsschicht (111) angeordnet ist, insbesondere eine leitfähige Klebeschicht.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Piezoelement (105) eine zweite Elektrode (107) aufweist, die der ersten Elektrode (106) gegenüberliegt und zwischen der ersten strukturierten Metallschicht (109) und den zweiten Elektroden (107) eine zweite Verbindungsschicht (112) angeordnet ist, insbesondere eine leitfähige Klebeschicht.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Lochplattenträger (101) eine elektrisch isolierende Schicht (115) angeordnet ist, die unmittelbar mit der Abschlussschicht (108) verbunden ist.
Schallwandleranordnung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (115) eine größere Dicke aufweist als die zweite Verbindungsschicht (112).
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussschicht (108) eine zweite durchgehende Metallschicht (110) aufweist, die der ersten strukturierten Metallschicht (109) gegenüberliegt.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Aussparungen (102) mindestens teilweise mit einem Dämpfungsmaterial (114) verfüllt sind, wobei das Dämpfungsmaterial (114) insbesondere Silikon aufweist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lochplattenträger (101) elektrisch leitfähig ist, wobei der Lochplattenträger (101) insbesondere ein Metall oder eine metallisierte Keramik aufweist.
Schallwandleranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Abschlussschicht (108) Leiterbahnen (113) angeordnet sind, die die zweiten Elektroden (107) kontaktieren.
Verfahren (200) zur Herstellung einer Schallwandleranordnung mit den Schritten: • Verbinden (210) mehrerer Piezoelemente mit einer Abschlussschicht, insbesondere mittels einer elektrisch leitfähigen ersten Verbindungsschicht, • Verbinden (220) eines Lochplattenträgers mit der Abschlussschicht und den Piezoelementen, wobei der Lochplattenträger horizontal beabstandet angeordnete erste Aussparungen und horizontal beabstandet angeordnete zweite Aussparungen aufweist, wobei jeweils eine erste Aussparung und eine zweite Aussparung übereinander angrenzend angeordnet sind, wobei eine horizontale Ausdehnung der zweiten Aussparung größer ist als eine horizontale Ausdehnung der ersten Aussparung, sodass sich innerhalb des Lochplattenträgers Auflageflächen bilden, sodass der Lochplattenträger mittels einer elektrisch isolierenden Klebeschicht mit der Abschlussschicht verbunden ist und die Auflageflächen mit den Piezoelementen mittels einer elektrisch leitfähigen zweiten Verbindungsschicht verbunden ist und • mindestens teilweises Verfüllen (230) der ersten Aussparungen des Lochplattenträgers mit einem Dämpfungsmaterial.